SpeicherKohärenz

Speicherkohärenz bezeichnet die Eigenschaft mehrkerniger Systeme, dass alle Prozessoren oder Threads eine konsistente Sicht auf gemeinsam genutzte Speicherinhalte haben. Das bedeutet, dass Schreibzugriffe an eine Speicherstelle für alle übrigen Prozessoren sichtbar werden und Lesezugriffe zwar lokale Kopien verwenden dürfen, aber letztlich eine aktuelle, korrekte Version erhalten. Ohne Kohärenz könnten verschiedene Caches unterschiedliche Werte liefern, was zu widersprüchlichen Ergebnissen führt.

Zur Gewährleistung nutzt man Cache-Kohärenzprotokolle. Diese Protokolle arbeiten typischerweise auf der Cache-Line-Ebene und werden entweder durch Snooping (Broadcast auf dem gemeinsamen Bus) oder durch eine Directory-Verwaltung umgesetzt, die angibt, in welchen Caches Kopien einer Zeile liegen.

Ein weit verbreitetes Zustandsmodell ist MESI: Modified (M) gilt, wenn die Zeile modifiziert und nur im lokalen Cache vorhanden ist; Exclusive (E) bedeutet, dass die Zeile unverändert und nur im lokalen Cache vorhanden ist; Shared (S) markiert Zeilen, die in mehreren Caches Kopien haben; Invalid (I) kennzeichnet eine veraltete Kopie. Wenn ein Prozessor eine Zeile schreibt, wechseln Zustände und andere Caches erhalten entsprechende Invalidate- oder Update-Mitteilungen, um Konsistenz herzustellen.

Directory-basierte Protokolle wie MOESI/MESIF erweitern MESI um weitere Zustände, und solche Systeme vermeiden Broadcasts bei großen Multiprozessor-Systemen. Snooping-Systeme eignen sich besser für Systeme mit gemeinsamem Bus.

Speicherkohärenz verursacht zusätzlichen Traffic in Form von Validierungs- oder Invalidate-Nachrichten und kann Performance-Overhead verursachen, insbesondere bei false sharing, wenn verschiedene Threads Daten derselben Cache-Linie bearbeiten. Synchronisationsprimitive wie Barrieren oder Acquire/Release-Anforderungen helfen, den Sichtbarkeitsgrad zu definieren. Kohaerenz bildet eine notwendige Grundlage des Speichersystems, reicht aber nicht allein aus, um alle Programmier-Semantiken abzubilden.